АДАПТИВНЫЙ СЕЙСМИЧЕСКИЙ КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ ПЕЛЕНГАТОР ОБЪЕКТОВ Российский патент 2005 года по МПК G01V1/16 G01S3/80 

Изобретение относится к техническим средствам охраны и может быть использовано для определения азимута на обнаруженный объект и его классификации при охране протяженных участков местности, территорий и подступов к объектам.

Известны способы разнесенной акустической пассивной локации для определения азимута на обнаруживаемые объекты, реализованные в корреляторе [1], где основным информационным признаком для определения направления на объект является функция взаимной корреляции двух сигналов, а также устройства для классификации обнаруживаемых объектов, которые реализованы в устройстве распознавания сейсмических сигналов [2] и сейсмическом устройстве обнаружения и классификации объектов [3].

Наиболее близким к предлагаемому является сейсмический корреляционный пеленгатор объектов (Фиг.1) [4]. В каждом из его каналов реализуется взаимокорреляционная обработка, рассчитанная на определенное значение задержки сигнала, после чего классификатором 10 принимается решение о принадлежности выделенного полезного сигнала к соответствующему классу объектов.

Структурная схема сейсмического корреляционного пеленгатора объектов включает линию задержки канала первого сигнала y₁(t), линию задержки с отводами канала второго сигнала y₂(t), корреляторы X1, Х2,...Хn, решающее устройство, селектор максимального сигнала и классификатор. По двум каналам поступают сигналы y₁(t) и у₂(1), сформированные одинаковыми, разнесенными в пространстве, чувствительными элементами. Характер сигналов определяется классом обнаруженного объекта. Первый сигнал условно принят опорным и поступает на первые входы всех корреляторов. Второй сигнал с различным временем задержки поступает на вторые входы всех корреляторов. На выходах корреляторов формируется взаимная корреляционная функция двух сигналов. Максимум значения взаимной корреляционной функции формируется на выходе того коррелятора, на вход которого поступает сигнал, задержанный на время запаздывания вступления фронта волны в один сейсмоприемник относительно другого сейсмоприемника, т.е. выполняется условие компенсации разности хода волны. Время задержки сигнала находится в зависимости от направления на объект и, следовательно, позволяет оценить азимут на объект. При выделении полезного сигнала одновременно на нескольких каналах селектор максимального сигнала 9 последовательно подключает выходы корреляторов к классификатору 8, позволяя классифицировать обнаруженные объекты.

Недостатком такого устройства является снижение точности пеленгования объектов при изменении скорости распространения сейсмической волны в грунте под воздействием метеофакторов (влажность, температура, атмосферное давление).

Предлагаемое устройство обеспечивает повышение информативности сейсмических средств обнаружения, а также пространственную селекцию сигналов на фоне помех. Для этого в сейсмический корреляционный пеленгатор внесены изменения, касающиеся схемы обработки сигналов: тестирующий модуль, коммутатор, блок управления и вычислитель (Фиг.2).

Скорость распространения сейсмоволн в зависимости от типа грунта составляет 400...1000 м/с, однако при изменении влажности грунта, температуры или атмосферного давления, она может увеличиваться или уменьшаться в 2-5 раз [6].

Сейсмические волны принимаются двумя разнесенными в пространстве на некоторое расстояние L сейсмоприемниками с усилителями, где L - сейсмическая база приема сейсмоколебаний. Сейсмоприемники и усилители - идентичны.

Расстояния, пройденные сейсмоволнами от источников сейсмоколебаний до сейсмоприемников, не одинаковы, а, следовательно, различаются фазой принимаемого сигнала. Запаздывание одного из сигналов зависит от положения источника сейсмоволн относительно сейсмоприемников, расстояния L (сейсмической базы) и скорости распространения сейсмической волны U.

Так как сигнал в обоих каналах одинаков, а микросейсмы и некоторые виды помех (шум дождя, шелест травы,...) в каналах независимы, в каждом канале будут присутствовать колебания вида y₁(t) и у₂(t):

где y₁(t) и y₂(t) - входные колебания в первом и во втором канале, представляющие собой аддитивную смесь сигнала S(t) и шума n₁(t) и n₂(t) в каждом канале.

В корреляторах сигналы перемножаются, причем сигналы помех взаимно подавляются.

Реализация функции взаимной корреляции сигналов от одного источника в двух независимых каналах принимает максимальные значения в случае компенсации времени запаздывания сигнала в одном из каналов за счет включения линии задержки. Количество корреляторов, равное n, определено удобством применения n линий задержки с фиксированным временем задержки. Количество корреляторов определяется требуемой точностью определения азимута на объект.

В общем случае, необходимо обеспечить суммарную задержку сигнала в диапазоне от -Δt до Δt с помощью n линий задержки. Временной интервал Δt определяется:

где L - сейсмическая база;

U - скорость распространения сейсмических волн.

Так как скорость распространения сейсмической волны зависит не только от типа грунта, но и от его влажности, температуры, то необходимо подстраивать линии задержки для обеспечения выполнения условия (3). При наличии тестирующего модуля точно сориентированного на местности относительно сейсмоприемников (оптимально на оси их расположения) можно рассчитать реальную скорость распространения сейсмической волны по (4) и перестроить, в соответствии с ней, линии задержки:

где t_mecm - время задержки прохождения сигнала между сейсмоприемниками.

Наличие одновременно на выходах нескольких корреляторов локальных максимумов взаимной корреляционной функции соответствует ситуации, когда на рубеже присутствует несколько объектов. По данному признаку оценивается количество объектов в контролируемой зоне.

Диаграмма направленности корреляционного пеленгатора с двумя сейсмоприемниками представляет собой “восьмерку” [5]. Ширина диаграммы направленности зависит от значения L (сейсмической базы), рабочей длины волны коррелятора, средней частоты спектра сейсмосигнала и ширины спектра сейсмосигнала. Данные параметры выбираются исходя из требований, предъявляемых к пеленгатору.

Взаимная корреляционная функция сигнала от объекта обнаружения, принятого двумя идентичными каналами, и сформированная коррелятором (Фиг.2), представляет собой ничто иное, как автокорреляционную функцию, но с различным временем задержки сигнала.

На выходах всех перемножителей сигналов корреляторов будут присутствовать сигналы, полученные в результате перемножения входных сигналов. Сигнал, возведенный во вторую степень, будет наблюдаться на выходе того перемножителя, на второй вход которого поступает сигнал, задержанный на время запаздывания прихода сейсмоволны. Следовательно, сигнал на выходе перемножителя будет содержать полную информацию о классе пеленгуемого объекта, что позволяет производить дальнейшую классификацию по какому-либо признаку (полоса частот, характер поведения функции сигнала и т.д.).

Работа устройства реализуется следующим образом (Фиг.2). В исходном состоянии производится прием сейсмических сигналов двумя разнесенными в пространстве сейсмоприениками. Сейсмосигналы через коммутатор 2 поступают на два канала обработки. Первый канал, включающий каскады предварительной обработки и одну линию задержки 5, условно принят опорным. Второй канал включает набор линий задержки 6 и столько же корреляторов, состоящих из перемножителя 8 и интегратора 9 каждый. Сигналы на выходах всех корреляторов сравниваются решающим устройством 12. Если сигналы, формируемые на выходах всех корреляторов одинаковы или незначительно отличаются, то решение об азимуте на объект не принимается, а селектор максимального сигнала 13 и классификатор 14 в работе не участвуют. Это соответствует ситуации, когда в зоне обнаружения отсутствует объект или присутствует рассредоточенная в пространстве помеха.

В случае появления объекта в зоне обнаружения на выходах корреляторов сигналы будут не одинаковы. Решающее устройство 12 по критерию максимума взаимной корреляционной функции на выходах корреляторов принимается решение об азимуте на обнаруженный объект. Решающее устройство 12 определяет коррелятор с максимальным выходным сигналом и формирует команду для селектора максимального сигнала 13 о подключении выхода перемножителя 8 этого коррелятора к классификатору 14. Классификатор 14 принимает решение о предполагаемом классе обнаруженного объекта. Переключение выходов корреляторов селектором максимального сигнала 13 означает управление диаграммой направленности пеленгатора. В случае наличия нескольких объектов на охраняемом рубеже наблюдаются максимумы на выходах нескольких корреляторов. Поочередная коммутация селектором максимального сигнала 13 выходов корреляторов к классификатору 12 позволяет последовательно классифицировать обнаруженные объекты. Возможен подсчет числа объектов на охраняемом рубеже в том случае, если объекты находятся друг от друга на таком расстоянии, которое позволяет их фиксировать раздельно, т.е. в случае узкой диаграммы направленности при которой система сейсмодатчиков обладает разрешением по азимуту.

При установке средства, а также при изменении влажности, давления, грунта или в соответствии с программой, блок управления 3 формирует команду тестирования, поступающую на тестирующий модуль 1 и коммутатор 2. Коммутатор 2 по команде тестирования блока управления 3 переключает входные каналы от сейсмоприемников на вычислитель 4, а тестирующий модуль возбуждает сейсмическую волну, принимаемую сейсмоприениками. Вычислитель подсчитывает время задержки прохождения сигнала между сейсмоприениками и перестраивает линии задержки 5 и 6 в соответствии с изменившимся временем задержки (скоростью распространения сейсмической волны). После перестройки линий задержки коммутатор переключает на них входные каналы и устройство снова работает в обычном режиме.

Предлагаемый адаптивный сейсмический корреляционный пеленгатор объектов позволяет повысить точность определения азимута на объекты при изменении под воздействием метеофакторов физико-механических свойств грунта.

Источники информации

1. Радиоэлектронные системы: основы построения и теория. Справочник/ Ширман Я.Д. Лосев Ю.И., Минервин Н.Н., и др./ Под ред. Я.Д.Ширмана - М.: ЗАО "МАКВИС", 1998. – 828 с: ил., библ. 539 назв.

2. SU 1832954, 7 G 01 V 1/28, Шарамонов Е.Е, Соколов И.В., Матвеев В.С., Лисицин С.В. Устройство распознавания сейсмических сигналов.

3. RU 2040807, 6 G 08 B 13/00, Хорев Петр Федорович, Мащенко Владимир Алексеевич, Сироткин Константин Николаевич, Щитов Владимир Петрович, Лебедев Денис Михайлович. Сейсмическое устройство обнаружения и классификации объектов.

4. RU 2204849, 6 G 08 13/00, Крюков И.Н., Иванов В.А., Дюгованец А.П. Сейсмический корреляционный пеленгатор объектов.

5. Биншток В.Б. Измерение угловых координат и пассивная радиолокация. - М.:ВЗЭИС, 1967. – 104 с.

6. Гурвич И.И. Боганник Г.Н. Сейсмическая разведка: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. - М.: Недра, 1980. – 551 с.

Изобретение относится к техническим средствам охраны и может быть использовано для определения азимута на обнаруживаемые объекты на охраняемом рубеже, подсчета количества объектов в групповой цели и классификации обнаруженных объектов. Технический результат: повышение информативности и точности пеленгования объектов обнаружения. Сущность: Пеленгатор содержит два сейсмоприемника, два канала обработки с линиями задержки и корреляторами, решающее устройство, селектор максимального сигнала, коррелятор, тестирующий модуль, коммутатор, вычислитель. Для реализации функции пеленгования использует способ разнесенной пассивной локации. Основным информационным признаком для определения направления на объект является функция взаимной корреляции сигналов в двух каналах обработки сигналов. По величине задержки сигнала принимается решение о величине азимута на объект. Изменение величины задержки сигнала эквивалентно управлению диаграммой направленности сейсмической антенной системы, что позволяет раздельно классифицировать обнаруженные объекты. Для адаптации к изменяемой под воздействием метеофакторов скорости распространения сейсмической волны использует тестовое воздействие. По времени задержки прихода сигнала тестового воздействия на второй сейсмоприемник определяется текущее значение скорости распространения сейсмической волны и производится подстройка линий задержки. 2 ил.

Адаптивный сейсмический корреляционный пеленгатор объектов, в котором производится прием сейсмических сигналов двумя разнесенными в пространстве сейсмоприемниками, при этом сейсмосигналы поступают на два канала обработки - первый канал обработки сейсмических сигналов, включающий линию задержки, второй канал обработки сейсмических сигналов, включающий набор линий задержки с различным временем задержки и корреляторы по количеству линий задержки, на первый вход каждого коррелятора поступает сигнал с выхода линии задержки первого канала обработки сейсмического сигнала, на второй вход каждого коррелятора поступает сигнал с выхода линии задержки с определенным временем задержки, выходы корреляторов соединены с входами решающего устройства, селектор максимального сигнала и классификатор, входы селектора максимального сигнала соединены с выходами перемножителей корреляторов, выход селектора максимального сигнала соединен со входом классификатора, выход решающего устройства соединен с управляющим входом селектора максимального сигнала, отличающийся тем, что дополнительно введены тестирующий модуль, блок управления, коммутатор и вычислитель, входы коммутатора соединены с сейсмоприемниками, первая группа выходов коммутатора соединена с линиями задержки первого и второго каналов обработки сейсмических сигналов, вторая группа выходов коммутатора соединена с входами вычислителя, управляющий вход коммутатора соединен с первым выходом блока управления, второй выход блока управления соединен с входом тестирующего модуля, третий выход блока управления соединен с управляющим входом вычислителя, выход которого соединен с корректирующими входами линий задержек первого и второго каналов обработки сейсмических сигналов.